DE2263180C2

DE2263180C2 - Signalverarbeitungsschaltung zum Bestimmen der Folgefrequenz einer Komponente physiologischer Signale

Info

Publication number: DE2263180C2
Application number: DE2263180A
Authority: DE
Inventors: Paul Brookline Mass. Epstein; Joseph Mark Cambridge Mass. Horn van; Patrick Gregory Framingham Mass. Phillipps
Original assignee: American Home Products Corp
Current assignee: Wyeth LLC
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1984-12-20
Also published as: CA993522A; GB1410939A; FR2166971A5; DE2265229C2; US3811428A; GB1410940A; JPS572331B2; IT976241B; JPS4878793A; DE2265229A1; DE2263180A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

e) durch die Pcriodcnbcstimmungsschaltung (150, 194) im Falle, daß ein Zeitfenstcr keinen oder mehr als einen Impuls enthält, ein Periodcnsignal entsprechend dem jeweiligen Abstand zwischen der Mitte dieses Zeitfensters und einem einzelnen Impuls in einem benachbarten Zcitfenstcr erzeugbar ist;

f) die Periodenbcstimmungsschaltung (150, 194) mit einer Periodenmittelungsschaltung (164) zum Mitteln des letzten Periodensignals von der Pcriodenbestimmungsschaltung (150, 194) und des Signals, das die letzte Periode, die von der Periodcnmittelungsschaltung erzeugt wurde, darstellt, gekoppelt ist und

g) eine Rückstellschaltung (180) vorgesehen ist, welche bei einer vorgegebenen Relation der Anzahl der außerhalb der Zeitfenster auftretenden Impulse zur Anzahl der innerhalb der Zeitfenster auftretenden Einzelimpulse einen neuen Meßzyklus beginnen läßt.

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2. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten zweier aufeinanderfolgender Zeitfenstcr, von denen keines einen einzelnen Impuls enthält, die Fölgefrequcriz der Zeit zwischen den Mitten dieser beiden aufeinanderfolgenden Zcitfcnslcr entspricht.

3. Signalvcrarbcitungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch eine Schaltung (162). die die Intervalle zwischen den Zeitfenstern auf einen Wert gleich drei Viertel der von der Periodcnmittelungsschaltung (164) ermittelten mittleren Periode abzüglich des Abstandes des letzten Einzclimpulses vom Ende des zugehörigen Zeitfensters einstellt.

4. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellschaltung (180) durch eine Zählerschaltung gebildet ist.

5. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähiet-chaltung beim Auftreten von Zeitfenstern, die keinen oder mehrere Impulse enthalten. Vorwärtszählimpulse zugeführt sind und beim Auftreten von Zeitfenstern, die jeweils einen Einzelimpuls enthalten, Rückwärtszählimpulse zugeführt sind, und daß beim Erreichen eines vorgegebenen Zählwertes der neue Meßzyklus eingeleitet wird.

6. Signalverarbeitungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenbestimmungsschaltung (150, 194) eine Ncucinstellung der Periode auf den Mittelwert der letzten und vorletzten Periode bewirkt, wenn in den beiden letzten aufeinanderfolgenden Zeitfenstern jeweils ein einzelner Impuls aufgetreten ist.

65 Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer als Felalpulsmonitor dienenden bekannten Schaltung dieser Art (J. H. van Bemmel et al »Detection Procedure to Represent the Foetal Heart Rate and Electrocardigram«, IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering, Band BME-3, No. 4. Oktober 1966. S. 175—182) wird ein Zähler, der ein Taktsignal zählt, durch jeden Impuls eines fetalen Herzsignales zurückgesetzt. Wenn der vor der Zurücksetzung erreichte, einer Pulsperiode entsprechende 7.ählwert einem vernünftigen Pulsfrequenzbereich entspricht, wird er in ein Register übertragen, und der bein Auftreten des nächsten fetalen Herzimpulses erreichte Zählwert wird dann mit dem gespeicherten Zählwert verglichen, wobei ein Vergleich auch dann noch als gültig angeschen wird, wenn die Abweichung in einem Toleranzbereich von ± 10% liegt. Bei positivem Ausfall des Vergleiches wird die Zeitmessung sofort beendet und die entsprechende Pulsfrequenz angezeigt.

Wenn im bekannten Falle ein Impuls der fetalen Hcrzimptilsfolge fehlt, z. B. weil er mit einem mütterlichen Herzimpuls zusammengefallen und unterdrückt worden ist, läuft der die Pulsperiode ermittelnde Zähler bis zur oberen Grenze des Annahmeberciches durch, und es wird dann eine neue Messung begonnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalverarbeitungsschaltung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Messung der Pulsfolgefrequenz möglichst nicht unterbrochen werden muß, wenn in der interessierenden Signalfolgc Impulse ausfallen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Signalvcrarbcitungsschaltung gelöst.

Die Erfindung ermöglicht die txhtzeit-Überwachung insbesondere der fetalen Herzfrequenz (sowie auch die analoge Überwachung anderer relativ schwacher Komponenten komplexer biologischer Signale, wie z. B. der T- und P-Zackcn im EKO) auf genauere und zuverlässigere Weise und dennoch mit einer relativ preiswerten und leicht zu bedienenden F.inrichtung. Die Schaltungs-

anordnung kann über einen großen Bereich von Frequenzen arbeiten, und außerdem wird ein ausgezeichneter Kompromiß zwischen der Vermeidung einer Anzeige falscher Informationen und dem Verlust einer Anzeige richtiger Informationen ermöglicht (einschließlich z. B. einer schnellen Erholung von durch Rauschen verursachten Ausfällen).

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert (n der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Eingangsschaltung der Signalverarbeitungsschaltung;

Fig.2 bis 7 als Spannungs/Zeit-Kurven den Signalverlauf an verschiedenen Stellen der in F i g. 1 gezeigten Schaltungsanordnung;

F i g. 8 ein Flußdiagramm des Algorithmus der digitalen Phasenverriegelungsbchleife und der Ergebnisanzeige;

Fig.9 ein Blockschallbild der digitalen Verriegelungsschaltung und der Anzeigeschaltung;

F i g. IOa, b. c, d ein der F i g. 9 entsprechendes Schaltbild;

Fig. Π und 12 Schaltbilder für Taktimculsgencratoren;und

Fig. 13 teilweise in Blockform das Schallbild einer Einrichtung zur Herstellung der variablen unteren Grenze in einem Spitzendetektor für fetale Signale.

Die in Fig. 1 angedeuteten Elektroden 10 und 11 werden am Patienten angebracht, um die Q/?S-Signale der Mutter und des Fötus aufzunehmen i'nd sie über höchst rauscharme Verstärker 12 und 13 (Verstärkungsfaktor 30) den Paiienten-Trennverstärkern 16 und 18 zuzuführen. Die Elektrode U wird auf den Unterleib gelegt, wo man das beste fetale Signal erhält, und die Elektrode 10 wird an einer Stelle (z. B. auf den Rippen) angeordnet, wo man die stärksten mütterlichen Signale erhält. Eine Bezugselektrode 20 wird an die Hüfte gelegt Die Verstärker 12 und 13 haben eine niedrige Impedanz in der Größenordnung von 10' Ohm, die einen verbesserten Rauschabstand ergibt, der den Nachteil der entsprechenden Verminderung des gesamten Signalpegels aufwiegt. Die Verstärker 16 und 18 sind jeweils mit dem übrigen System und der Energieversorgung der Verstärkertransformator gekoppelt und bilden eine sehr hohe Impedanz (in der Größenordnung von I0¹² Ohm) zwischen den Elektroden und Masse, so daß der Patient vor Stromschlägen geschützt ist.

Das verstärkte mütterliche Signal durchläuft ein aktives Bandpaßfilter 28 niedriger Güte (Q-V/er\ Kleiner als 10 und beispielsweise 0,5 bis 1) und einer Mittenfrequenz von 17 Hz (das Optimum innerhalb eines Mittenfrequenzbereichs von 15 bis 25 Hz), der Mitte der Spitzenenergie in den mütterlichen QRS-Z&cken. Das verstärkte fötale Signal gelangt durch ein kaskadcngcschaltetes Paar von aktiven Bandpaßfiltern 30 und 32 ähnlich niedriger Güte und einer Mittenfrequenz von 32 Hz (dem Optimum in einem Mittenfrequenzbereich von 25 bis 40 Hz), der Mitte der Spitzenenergie in den fötalen QRS-Zackcn, wobei sich diese Energie grob geschätzt über den Bereich von 5 H/. bis 100 Hz erstreckt. Diese Filter niedriger Güte zeigen ein ausgezeichnetes Einschwingverhalten (gleichwertig mit angepaßten Filtern) gegenüber den bis hier linear behandelten Signalen, die sie empfangen. Die Filterkennlinicn der Bandpaßfilter 30, 32 multiplizieren sich, wodurch die Bandbreite schmaler wird rnd eine sehr flache Kennlinie entsteht. Der Ausgang des Filters 32 hat mindestens i'5% t.cr .Signalenergie im Bereich von 50 bis 100 Hz (mit Ausnahme des Netzbruinmensi. weil hier die wesentliche Nutzenergie der fötalen Signale liegt. Durch die hiermit effektiv erhöhte Ausnutzung der fötalen Signalenergie wird der Rauschabstand endgültig verbessert.

Nach weiterer Verstärkung der mütterlichen Signale im Verstärker 34 durchlaufen die mütterlichen und fötalen Signale jeweils ein auf 60 Hz abgestimmtes Doppel-T-Kerbfilter 36 bzw. 38 zur Dämpfung des Netzbrum· mens, und werden anschließend Präzisions-Vollweggleichrichtern 40 und 42 zugeführt. F i g. 2 zeigt die mütterlichen und fötalen Signalformen 44 und 46 (die Signalform 46 enthält natürlich noch sowohl mütterliche als auch fötale Signale) an den Gleichrichtereingängen, und 48 und 50 an den Gleichrichterausgängen. Wegen der Gleichrichter entfällt die Notwendigkeit, auf unterschiedliche Signalpolarität Rücksicht zu nehmen. Zunächst sei das mütterliche Signal betrachtet Der Ausgang des Gleichrichters 40 wird sowohl dem Spitzendetektor 52 als auch dem Komparator 54 zugeführt. Der Spilzendeiektor speichert zunächst den Wert der Spitzenamplitude eines ihm zugeführten Signals und läßt ihn dann allmählich in Richtung auf ί-JulI abklingen, bis er ein weiteres Signal empfängt, dessen Spitzenamplitude höher als der Augenblickswert ist, auf den der ursprünglich gespeicherte Spitzenwert abgesunken i^t Somit wird nunmehr der neue Spitzenwert gespeichert, usw. Der Komparator 54 empfängt am zweiten Eingang 90% (der bevorzugte Bereich ist 70 bis 90%) des in dem Spitzendetektor gespeicherten Werts. Der Komparator »zündet« immer dann, wenn der Spitzenwert am Aus-

jo gang des Gleichrichters 40 größer als 90% des im Spitzcndctektor gespeicherten Werts ist. Auf diese Weise erfolgt eine automatische Schwellenwertbildung für den mütterlichen Signalzug, wobei eine Entscheidung über das Vorhandensein oder das Fehlen einer mütterlichen QRS-Welle zu jeder gegebenen Zeit auf der Grundlage der jüngsten Vorgeschichte dieser Wellen getroffen wird. Somit erfolgt eine genaue Erfassung ungeachtet der Änderungen des allgemeinen Signa'.pegels. Für den Spitzendetektor ist eine obere Grenze eingestellt, so daß ein vorübergehender starker Störimpuls den gespeicherten Wert nicht auf einen falschen hohen Pegel bringen kann.

Der Ausgang des Komparator?: 54 w^:rd zum Anstoßen eines Univibrators (monostabiler Multivibrator) 56 herangezogen, dessen Impulsbreite oder Rückkippzeit so groß ist wie das breiteste zu erwartende mütterliche (?/?S-Signal (z. B. 140 Millisekunden).

F i g. 3 zeigt den Ausgang 57 des Spitzendetektors 52, den Ausgang 58 des Komparator 54 und den Ausgang 59 des Univibrators 56.

Was das fötale Signal betrifft, wird das Ausgangssignal des Gleichrichters 42 einem Mittelwerlfilter 60 zugKUhrt. welches einen sich bewegenden Mittelwert des Signals bildet und das Verhältnis zwischen den Stärken der fötalen un^ mütterlichen Signale günstiger macht. Die Mittelwertbildung erfolgt über eine Zeilspanne von etwa 17 Millisekunden (das Optimum in einem Bereich von 12 bis 20 Millisekunden), d. h. die Zeitkonstantc ist so gewählt, daj sie der zu erwartenden Dauer der föta-

W) len (,WS-Wellen angepaßt ist. F i g. 4 zeigt den Ausgang 62 des Filters 60, der fötale Impulse 64 und mütterliche Impulse 66 enthält, wobei die let/.iercn die ersteren natürlich überdecken, wenn die Herzschläge des Fötus und der Mutter zusammenfallen.

μ Die Ausgangssignalc des Filters 60 und des Univibrators 56 werden einer analogen Torschaltung 70 zugeführt, die jedesmal während des Erregungszustandes des Univibrators sperrt und somit alle mütterlichen Im-

pulse mit Ausnahme ihrer Vorderflankcn aus dem Aiisgangssignal des Filters ausblendet. Das Ergebnis ist in F i g. 5 dargestellt, wo die Nadelimpulsc 72 die Vordcr-Flanken der unterdrückten mütterlichen Impulse sind.

Das resultierende Signal gelangt über einen Verstarker 74 sowohl zu einem Spitzendetektor 76 als auch zu einem Komparator 78, die beide, ebenso wie der Spitzendetektor 52 und der Komparator 54 für die mütterlichen Impulse, zur Erfassung der fötalen Impulse 64 unter automatischer Schwcllcnwcrtbildung dienen. Die Ladezeitkonstante des Spitzendetektors ist mit etwa 3 bis 4 Millisekunden so gewählt, daß die von den mütterlichen Signalen herrührenden Nadelimpulsc 72 keine Rückstellung bewirken. Der Spitzcndctcktor wird mit einer oberen und unteren Grenze ausgestattet, wobei die untere Grenze zur Unterdrückung von nicdcrpcgeligem Rauschen vorgesehen ist. welches einen fötalen Impuls verfälschen könnte. Obwohl durch die untere Grenze sehr schwache fötale Impulse selten ausgeblendet werden können, ist die Anordnung so aufgebaut, daß eine direkte Darstellung der Ausgangssignule des Filters 32 eingeschaltet werden kann, was an dieser Stelle jedoch nicht im einzelnen beschrieben wird. Die untere Grenze kann zwar fest eingestellt sein, jedoch wird eine größere Genauigkeit (angesichts von Änderungen des allgemeinen Rauschens oder der fötalen Signalpegel) erzielt, wenn der Grenzwert in Übereinstimmung mit dem Mittelwert des Signals geändert wird, das den Spitzendetektor während einer unmittelbar vorangegangegen Periode, z. B. während der letzten 10 Sekunden, erreicht hat. In Fig. 13 ist eine Schaltungsanordnung 79 gezeigt, die eine solche variable untere Grenze von /.. B. dem Doppelten des besagten Signalmittelwcrts herstellt. Die Ausgangssignalc 80 und 82 des Spitzendelektors und des !Comparators sind in F i g. 6 gezeigt. Die Impulse 84 entsprechend den fötalen Zacken und die Nadelimpulse 86 den Vorderflankcn der mütterlichen Zacken.

Das Ausgangssignal 82 des Komparator 78 durchläuft dann ein Schieberegister 90 (F i g. I. !Oa). welches eine Verzögerung von 32 Millisekunden bewirkt. Der Univibrator 56 stellt jedesmal, wenn er erregt wird, das Register 90 auf Null, so daß die Nadelimpulsc 86 unterdrückt werden. Somit werden alle Überreste der mütterlichen Impulse ungeachtet einer Änderung der mütterlichen Impulsfrequenz entfernt, wenn auch zeitweilig auf Kosten aller mit den mütterlichen Impulsen zusammenfallenden fötalen Impulse. Das Ausgangssignal 85 des Schieberegisters ist in Fig. 7 dargestellt. Das Register wird so gesäuert, daß es gleichzeitig mit der abfallenden Flanke eines jeden Impulses 84 einen 4 Millisekunden breiten Impuls 87 liefert. Es hat sich herausgestellt, daß die Zeit zwischen den abfallenden Flanken ein genaueres Maß für den Impulsabstand ist als die Zeit zwischen den Ansticgsfiankcn.

Der resultierende Signalzug hat im allgemeinen im Vergleich mit der tatsächlichen Folge der fötalen Herzschläge einige Lücken, die fehlenden fötalen Signalen entsprechen. Andererseits enthält der resultierende Signalzug natürlich auch einige Impulse (Rauschen), die keinen wirklichen Herzschlägen entsprechen. Die nachstehend beschriebene Digitalschaltung ist dazu ausgelegt den Signalzug durch Wiederherstellung der fehlenden fötalen Impulse und durch Entfernung des Rauschens bzw. der Störungen so weit wie möglich zu modifizieren.

Allgemein verwendet die Digitalschaltung eine Phasenverriegelungsschleife, und es wird eine Folge von sogenannten Zcit-»Fcnstcrn« (deren jedes im wesentlichen die positive Hälfte einer Rcchteckwelle ist) mit einer Periode und einer Phase erzeugt, die jeweils aufgrund der jüngsten Vorgeschichte des Ausgangssignals

') des Schieberegisters 90 derart auf den neuesten Stand gebracht wird, daß die Mitte der Fenster auf die Impulse 87 zu liegen kommt, jeder außerhalb eines Fensters empfangene Impuls 87 wird für die Auslesung ingnoriert. Die Schleife ingnoriert ebenso Impulse, die zu

in zweit oder zu mehreren in ein einzelnes Fenster fallen. Der angezeigte Wert ist die tatsächliche Zeit zwischen den Impulsen 87, wenn sie einzeln in aufeinanderfolgende Fenster fallen. Wenn nur eines von zwei aufeinanderfolgenden Fenstern einen einzigen Impuls enthält, ist die angezeigte Größe die Zeil von diesem Impuls bis zur Mitte des anderen Fensters. Wenn in keinem zweier aufeinanderfolgender Fenster ein einzelner Impuls auftritt, dann ist die angezeigte Größe die Zeit zwischen den Mitten der beiden Fenster. Falls zu viele Fenster ohne jeweils einen einzelnen Impuls erscheinen oder falls zu viele Impulse außerhalb der Fenster auftreten, dann wird die Anzeige vorübergehend festgehalten. Die Phase der Fenster wird nur dann auf den neuesten Stand gebracht, wenn Fenster mit Einzclimpulsen auftreten, und die Periode (Frequenz der Fenster) wird nur dann auf dan neuesten Stand gebracht wenn aufeinanderfolgende Fenster mit Einzelimpulscn auftreten.

Der in der Phascnvcrricgelungsschleife herangezogene Algorithmus ist im Flußdiagramm gemäß Fig.8 ge-

jo zeigt. Die Fensterbreite (Block JOO) ist ungefähr (eine genauere Definition wird weiter unten gegeben) gleich der halben Durchlaufpcriodc der Schleife, daß heißt der Hälfte des Intervalls von der Mitte eines Fensters bis zur Mitte des nächsten Fensters. Wie im Flußdiagramm gezeigt, beeinflußt das Impulsmuster im augenblicklichen und in dem zuletzt vorangegangenen Fenster die Werte der »Neuen Periode« (welche am Ende die Frequenzanzeige liefert), der »Mittleren Periode« (die ihrerseits die tatsächliche Fensterfrequenz und auch die Fensterbreite bestimmt), und des »Intervalls zwischen den Fenstern« (welches beim Fehlen einer Nachstellung der Fensterfrequenz die Fensterphase steuert). Insbesondere wenn das augenblickliche Fenster mehrere Impulse oder keinen Impuls enthält, wird weder bei der »Neuen Periode« (Block 102) noch bei der »Mittleren Periode« (Block 104) eine Einstellung vorgenommen, und das »Intervall« bleibt halb so groß wie die »Mittlere Periode« (Block 106). Wenn ein solches Fenster von einem Fenster mit einem einzelnen Impuls gefolgt wird, dann wird die »Neue Periode« gleich der Zeit .->n der Mitte des ersten Fensters bis zu dem Impuls im zweiten Fenster gemacht (Block 108), die »Mittlere Periode« bleibt unverändert (d. h. keine Frequenznachstellung, Block 110), und das »Intervall« wird so eingestellt, daß es gleich ist ^JA der »Mittleren Periode« minus der Zeit zwischen dem Ende des augenblicklichen Fensters und dem darin befindlichen Impuls (Block 112). Das heißt, die Phase der Fenster wird so eingestellt, daß der nächste Impuls 87 innerhalb seines Fensters zentriert wird (falls sich die Impulsfrequenz nicht geändert hat), ohne jedoch die Fensterfrequenz zu ändern, da die Information im vorangegangenen Fenster unzuverlässig war und eine falsche Frequenzeinstellung aufgrund dieser unzuverlässigen Information einen von Fenster zu Fen ster anwachsenden Fehler verursachen würde. Wenn schließlich zwei aufeinanderfolgende Fenster jeweils einen einzelnen Impuls enthalten, dann wird die »Neue Periode« gleich der Zeit zwischen den aufeinanderfoi-

gcndcn Impulsen 87 eingestellt (Block 114), clic »Mittlere Periode« wird halb so groß wie die Summe der nachjusticrlcn »Neuen Periode« und der allen »Mittleren Periode« gemacht (Block 116, wodurch eine Frequenzeinstellung erfolgt, jedoch nur zur Berücksichtigung der Hillfie einer Änderung des Intervalls /wischen den Impulsen 87. um Überkoinpcnsation zu vermeiden), und dtr «Intervall« wird auf V₄ der neuen »Mittleren Periode« minus der Zeit zwischen dem Ende des augenblicklichen Fensters und dem darin befindlichen Impuls eingestellt (d. h. die Phase wird ebenfalls eingestellt, Block 118). Es sei erwähnt, daß der angezeigte Wert stets die »Neue Periode« ist, die nicht direkt von den gerade beschriebenen Frequenz- und Phascncinstelliingen beeinflußt wird.

Wegen ihrer digitalen Natur und der Verwendung von Zählern mit hoher Auflösung kann die Phasenverriegclungsschleifc in einem breiten Frequenzbereich

(z. B. 6G bis 24G impulse je mitiüic) üiuciiCTi Und kufificn die Einstellung und die Änzcigecntschcidungcn bis zum Ende eines jeden Fensters aufgeschoben werden.

Ein Zähler registriert laufend die Relation zwischen Impulsen 87. die außerhalb der Fenster erscheinen, und solchen Impulsen, die einzeln innerhalb der Fenster auftreten. Der Zählerstand wird für jeden außerhalb auftretenden Impuls um 1 vermehrt (Block 117) und für jeden innerhalb eines Fensters einzeln auftretenden Impuls um Vi vermindert (Block 119). Mehrere innerhalb eines Fensters auftretende Impulse werden vom Zähler ignoriert. Wenn der Zähler einen Stand von 5 erreicht, dann wird die Anzeige der »Neuen Periode« angehalten (Block 120). Wenn der Zählersland wieder auf einen Wert unter 5 zurückkehrt, dann wird die Auslosung wieder aufgenommen (Block 122). Sollte der Zählerstand 8 oder mehr erreichen, dann wird die Anzeige angehalten (Block 120), der Zähler wird auf 0 gestellt, und ein Wicdcrünläuf^roTHnim wird begonnen'Block !24^

Im Wicderanlaufprogramm wird willkürlich angenommen, daß der Impuls 87, der den Stand des Zählers auf 8 gebracht hat, einem wirklichen fötalen Impuls entsprach, und die Zeit bis zum nächsten Impuls 87 wird gemessen (Block 126). Sollte dieser nächste Impuls in kürzerer Zeit als 250 Millisekunden erscheinen, dann wird er ignoriert (Block 128), weil er eine unwahrscheinliche fötale Herzfrequenz von mehr als 240 Schlägen je Minute bedeuten würde. Wenn andererseits der nächste Impuls nicht innerhalb 800 Millisekunden erscheint, wird der Zähler auf 0 gestellt, und bei Erscheinen des nächsten Impulses 87 wird das Wicderanlaufprogramm erneut begonnen (Block !30). Hier wiederum wird ein Wiederanlauf mit einer unwahrscheinlichen (hier zu niedrigen) Frequenz verhindert. (Das Fehlen eines Impulses über die Zeit von 800 Millisekunden entspricht zwar 75 Schlägen pro Minute und nicht der unteren Grenze von 60 Schlägen pro Minute, mit denen ein Gleichlauf erwünscht ist. Würde man jedoch einen Wiederanlauf bei weniger als 75 Schlägen je Minute gestatten, dann würde das Risiko des Wiederanlaufens bei der Hälfte der wirklichen Frequenz in dem Falle wesentlich vergrößert werden, daß die mütterlichen Herzschläge alle anderen fötalen Herzschläge für eine bestimmte Zeit überdecken. Wenn dennoch ein Wiederanlauf bei der halben wirklichen Frequenz stattfinden würde, dann stellt das Verfahren, die Impulse innerhalb der Fenster mit nur dem halben Gewicht wie die Impulse außerhalb der Fenster zu zählen, einen eventuellen Wiederbeginn des Wiederanlaufprogramms sicher.) Sollte schließlich, was immer noch den Block 126 betrifft, ein zweiter Impuls innerhalb der Zeil von 250 bis SOO Millisekunden erscheinen, dann werden die »Neue Periode« und die »Mittlere Periode« gleich der gemessenen Zeit zwischen den beiden Impulsen (Blöcke 132 und 134) gemacht, und der Ziihler wird willkürlich auf 6 gestellt (Block 136). Wenn dann der Zählerstand auf 4 abnimmt, wird die Anzeige wieder aufgenommen. Falls der Zählerstand auf 8 zurückkehrt, wird wieder mit dem Wiedcranlaufprogramm begonnen.

to Der beschriebene Algorithmus schafft ein Gleichgewicht zwischen der Vermeidung einer Anzeige falscher Informationen und der Verminderung von Ausfällen bei der Anzeige während der richtige Informationen verlorengehen.

Fig.9 veranschaulicht in einer Blockdarstellung die Realisierung der Phasenvcrriegelungsschleifc und der zugehörigen Anzeigeeinrichtungen. Der genaue Schaltungsaufbau geht aus den Fig. 10a —d, 11 und 12 hervor. Die vorn .Schieberegister SC kornrncriden Signale μ laufen in die Mcßschaltung 150 für die »Neue Periode« (F i g. lOb), die aus zwei 4-Bit-Zählern 152,154 mit paralleler Eingabe und einem //(-Flipflop 156 zur Löschung der Zähler besieht. Die »Neue Periode« — Information läuft zu 4-Bit-Volladdicrern 158, 160 in einer Schaltung 162 zum Erzeugen des »Zwischenfensterintervalls« (Fig. lOb. 1 Oc). die außerdem die in der Schaltung 164 (Fig. lOb) erzeugten »Mittleren Pcriode«-Daten empfangen. Die von den Volladdiercrn kommenden Signale laufen in die parallelen Eingänge von 4-Bit-Zählern 166, jo 168, welche die Daten des »Zwischcnfensterintervalls« erzeugen. Die Zähler 166 und 168 laufen aus dem voreingestellten Stand auf die Summe von 'Λ der »mittleren Periode« plus dem bis hierher aufgelaufenen Wert der »Neucn-Periodcw-Zähler 152 und 154 und nehmen bei jedem Takt um 1 zu (der letztgenannte Bestandteil der besagten Summe ist die Zeit zwischen dem gerade vorangegangenen Impuls und dem F.nde des zu ihm gehörenden Fensters). Zwei 4-Bit-Binärvergleicher 170, 172 sprechen an, wenn der Stand der Zähler 166 und 168 gleich ist dem gespeicherten Wert für die »Mittlere Periode«, und signalisieren das Ende des »Zwischenfensterintervalls«. Dieses Signal läuft dann zur Zeitfensterschaltung 174 (Fig. IOc). die mit der Bildung des Fensters beginnt und mil 4-Bit-Zählcrn 176 und 178 die Fensterbreite auf die Hälfte der »Mittleren Periode« regell. Die Zähler 176 und 178 werden mit dem halben Wert der letzten »Mittleren Periode« gefüllt und nehmen während jedes Takts um 1 ab. Beim Nullstand ist die richtige Breite des Fensters vorhanden. Eine Wiederanlauf- oder Rückstellschaltung 180 (F i g. 10a) enthält einen vorwärts und rückwärts zählenden 4-Bit-Zählcr 182 mit parallelen Eingängen und ein //C-Flipflop 184, das ein über das andere Eingangssignal eine 1 zum Rückwärtszählen erzeugt, um den oben be- « schriebenen Gewichtsfaktor zu liefern.

Der Wert der »Neuen Periode« wird in den 4-Bit-Registern 190 und 192 im Block 194 (F i g. 1Od) gespeichert und läuft zu einem Digital-Analog-Umsetzer (F i g. lOd) zur Umsetzung in eine Analogspannung. Diebo se Spannung, die ein Maß für die Periode ist, gelangt zu einer analogen Speicherschaltung 198, die einen Sperrschicht-Feldeffekiiransistor 200 und einen Funktionsverstärker 202 mit hoher Eingangsimpedanz sowie eine logische Schaltung enthält, welche die Anzeige sperrt. wenn der Zähler !82 auf 5 oder höher steht. Vor der Speicherschaltung als läuft das Signal zu einer analogen Dividierschaltung 204. wo es in eine Frequenzinformation umgesetzt wird, indem ein dem Reziprokwert des

Periodensignals proportionales Analogsignal cr/cugt wird. Der Ausgang der Dividicrschaltung wird im Verstärker 206 verstärkt und erfährt zudem eine Gleich· spannungsverschiebung, um den Pegel wieder in richtigen Bezug zur Basislinie zu bringen. Anschließend wird ■> das Signal einem Voltmeter mit digitaler Anzeige 208 und einem Strc'fcnblatlschrcibcr 210 zugeführt.

Der Verstärkungsfaktor zwischen dem Eingang zur Speicherschaltung 198 und dem Ausgang der Dividierschaltung 204 wird so eingestellt, daß jeweils 10 MiIIi- in volt am Ausgang einer Frequenz von einem Herzschlag je Minute entsprechen. Somit zeigt ein digitales Voltmeter, welches für I Volt eine Anzeige von 100 liefert, die exakte Herzfrequenz in Schlagen pro Minute an. In ähnlicher Weise ist der Streifcnblattschrciben zur direkten \^r> Anzeige der Frequenz eingestellt. Somit können handelsübliche Anzeigegeräte verwendet werden, j Fig. 11 zeigt einen 2 KHz-Os/illator 220, der eine

Taktsignalquelle für die Digitalschaltung darstellt. Das Signal wird in einem 4-Bil-Zählcr 222 in cine 256-Hz-Rechteckwelle T hcruntergcteilt gemeinsam mit den schnelleren Versionen T'und T".

Fig. 12 zeigt einen 1 Hz-Oszillator 224. der Taktimpulsc zur Anzeigesteuerung erzeugt.

Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung können

sowohl fötale als auch mütterliche Signale mit densel-

,-·. ben am Unterleib angeordneten Elektroden gemessen

; werden. Auch kann die Überwachung der fötalen Herz-

'·, frequenz mittels Schädelclcktroden unter Verwendung

:<.■ einer einzelnen Filterkette für den fötalen QRS- Korn- jo

J ^: plex erfolgen. Auch kann der Gegenstand der Erfindung

'.'·.' bei jedem EKG-Signal zur Erfassung der T-Zacken

•^v durch Eliminierung der £)/?S-Zacken oder selbst zur Er-

:'■: fassung der P-Zackcn dienen, indem man die QRS- und

die 7-Zacken nacheinander entfernt und somit drei FiI-S terketten verwendet. Dies ist zum Beispiel besonders

Π nützlich für die Synchronisierung von Rönigcnauinah-

'}', men in der Diastole bzw. der Systole. Die Erfindung ist

. auch anwendbar für die Überwachung anderer Arten

'^ von physiologischen Vorgängen. Schließlich ist auch das

f"' »Entfernen« der mütterlichen Signale auf andere als die

■ ; gezeigte Weise möglich, z. B. durch Verfolgen der müt-

Ö' terlichen Signale und Verhinderung jeder Reaktion dar-

p auf durch den Spitzcndctcktor und den Komparator.

'4-.

α; Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

50

b0

65

Claims

Patentansprüche:

1. Signalverarbeitungsschaltung zum Bestimmen der Folgefrequenz einer Komponente physiologischer Signale, die schwächer ist als eine weitere Komponente dieser Signale, insbesondere fetaler Herzsignale, die in Verbindung mit mütterlichen Kerzsignalen auftreten, mit

10

a) einer Eingangsschaltung zum Erzeugen einer Signalfolgc mit Impulsen, die dem Auftreten der schwachen Komponente und Störimpulsen entsprechen, und mit Lücken entsprechend fehlenden Impulsen der schwachen Komponente,

b) einer Periodenbestimmungsschaltung (150, 194). die die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der Signalfolgc bestimmt und ein entsprechendes Periodensignal speichert,

c) einer durch das Periodensignal der Periodenbestimmungsschaltung (150, 194) gesteuerten Zeitfensterschaltung (174) zum Erzeugen eines Zeitfensters, das den Zeitpunkt des voraussichtlichen Auftretens des nächsten Impulses der schwachen Komponente überdeckt, und

d) einer Schaltungsanordnung (196,198, 204,208) zum Erzeugen eines die Folgefrequenz der schwachen Komponente angebenden Signals, die d-.Tch das von der Periodenbestimmungs- jo schaltung gespeicherte Periodensignal gesteuert ist,